一体式滑移轴套结构的研发

沈建华

摘要：以一种具有抗震、抗冲击力的滑移轴替代传统汽车等速万向节中的半轴结构，本文提出一种免焊接的一体式滑移轴套结构，并对因该轴套深孔、长柄易产生产品同轴度超差、筒形壁厚差超差、冲头易磨损的情况分析并作出改善，优化后的成品金属流线连续、完整并呈现对称分布，相对于传统的焊接式滑移轴套而言，强度、安全性更高。

关键词：汽车半轴；滑移轴套；温冷锻造

近年来，我国汽车行业发展迅猛，据统计，2016年我国年产汽车2800余万辆，已连续8年蝉联全球第一。同时随着人民生活水平的不断提高，越来越多的人开始追求驾乘的舒适度和安全性。汽车用等速万向节是汽车重要的机械部件，其安装在汽车差速器与轮毂之间或变速箱末端齿轮与轮毂之间，用于传递动力和扭矩。传统的等速万向节总成多由内球笼、外球笼和中间半轴等构成，近年来国内借鉴国外先进技术，在农机、沙滩车等恶劣情况下运行的车型中，将滑移轴结构取代简单的中间半轴，因滑移轴结构的等速万向节总成可以减小外球笼传递的震动和冲击力，可以有效防止半轴的断裂，同时提高驾乘人员的舒适度。因此，可以预想，今后越来越多的车型会应用具有滑移轴结构的等速万向节总成。

滑移轴结构包含滑移轴、滑移轴套、保持架和钢球，本文中所述的一体式滑移轴套即属于滑移轴套中的一种。

1 一体式滑移轴套的优势

滑移轴按成形形式可分为一体式滑移轴套和需焊接式滑移軸套，需焊接式滑移轴套采用纯冷锻锻造，工序为落料、球化退火、钻孔制坯、抛丸、磷皂化、沟道成形，球化退火时间长，钻孔制坯材料利用率低，且大变形的冷挤压使得材料在挤压变形中冷作硬化现象严重，模具拉毛修复后尺寸变化；一体式滑移轴采用温、冷锻造结合的工艺，其工序为落料、抛丸、温锻流水线（涂层、加热、正挤、反挤、控温冷却）、抛丸、磷皂化、精整沟道，其工序数虽比需焊接式多，但无球化退火和钻孔制坯等高耗时、低效率的工序，因此生产周期两者相当。

一体式滑移轴套的优点在于：提高材料利用率，需焊接式滑移轴需预先钻孔等工序，材料利用率仅为70%左右（需预先钻孔），而一体式滑移轴可以做到近净成型，机加工余量非常小；需焊接滑移轴套在后续焊接工序中易产生各种焊接缺陷，而一体式滑移轴杆部通过温锻挤压成形，筒形与杆部金属纤维连续，产品力学性能得到改善，整轴中没有脆性断裂的风险。

2 成形的关键技术

一体式滑移轴套采用温、冷锻造结合的工艺，其关键成形工序在于温锻反挤工序，因一体式滑移轴套结构表现为筒深、柄细长，控制的难点在于杆部同轴度的控制和筒形壁厚差的控制上，以及合理的上冲头寿命。因柄部校直会使筒形沟道变形，柄部与筒形的同轴度只能通过温锻控制，一般小直径的温锻后道工序比前一道工序凹模大0.3左右，以便前道工序锻打后的工件能够顺利放入后道工序的型腔中。本文中一体式轴套反挤工序杆部上部分直径比正挤大0.3，最下面约20mm位置处直径比正挤小0.2mm，以使在反挤工序中杆部通过温减径贴合模具，保证杆部与筒形外圆同轴。考虑到正挤件放入反挤挤压筒存有间隙、模具装配精度和机床刚性等原因，可能导致筒形壁厚差偏大的情况，在反挤凹模上安装冲头套导向套，使冲头在接触工件前先定位。解决同轴度和壁厚差问题后，最关键的就是温挤反挤冲头的寿命了，因反挤冲头细长，反挤过程中较容易发生因受径向剪切力而断裂和冲头端面磨损变形的事故，我们通过对冲头结构的调整改变金属的流动能力和冲头的受力情况。

3 关键工序的数据分析

本工件的关键工序是反挤筒形的成形。落料后的棒料经温锻正挤压成形，为关键工序提供锻前坯料，为深入了解反挤压工序变形过程中冲头受力状况、金属流动方向及过程中是否会出现缺陷等问题，我们采用有限元模拟分析软件DEFORM-3D将该变形过程参数化模拟，选取近似材质ANSI-1035，环境及塑性体工件温度设置700℃，成形过程忽略温升效应，模具定义为刚性，坯料与模具的接触摩擦因子为0.25，设置主模具终了行程52mm，并将原始工件分割为50000个四面体有限单元进行分析。

由图所示，冲头在刚接触工件开始反挤时受力最大，达到1090kN并趋于稳定至终了位置，六沟道形状冲头截面面积1225mm2，单位面积受力约890N/mm2，冲头材质选用65Nb，调质硬度58-60HRC，该材质与高速钢的淬火组织中的化学成分相同，但其不含有大量的未溶碳化物，所以韧性和疲劳强度均优于高速钢，且65Nb回火温度在520℃以上，回火温度高，具有一定的红硬性，适合该产品冲头细长、容易温升的特性。为优化产品流线，同时缓解上冲头端面R角翻边，在不影响客户使用的情况下，将冲头端面加工成5°斜面，便于金属的定向流动。通过有限元分析软件计算，5°斜面冲头流线更佳，且挤压力有所降低。

4 结语

针对有限元分析结果，在确定过程中没有缺陷产生及冲头强度足够的情况下，为改善产品流线，增加冲头寿命，将冲头平端面改成斜端面，温锻生产过程中，对冲头进行水冷，保证冲头不会因温度上升过高而回火软化变形，通过有限元分析评估，并经实际生产验证，冲头寿命和产品同轴度均达到预期效果，满足批量生产要求。

参考文献：

[1]吴诗.冷温挤压技术[M].北京：机械工业出版社，1995.